突破磁共振设计关卡 无线充电使用更便捷 - 全文

　　在标准纷纷出笼之际，无线充电亦开始跨入磁共振阶段。尽管标准的订定必然推动磁共振技术向前迈步，但也使过去既存的问题再次浮上台面，包含物料成本、元件供应与安全认证等议题均受到热切关注，同时市场对解决方案的需求也更加迫切。

　　虽然无线充电联盟（WPC）已发布具备磁共振技术的Qi 1.2版标准，但目前业界普遍尚未取得详细规格，也未见采用WPC磁共振标准的解决方案；相较之下，采用无线电力联盟（A4WP）标准的首波磁共振无线充电方案预期将于年底上市，无论在技术或产品方面皆有较多实例可供参考。因此，以下系针对A4WP标准的磁共振无线充电开发挑战进行探讨。

　　高频元件规格提升　磁共振无线充电挑战重重

　　A4WP的磁共振方案并非采行一般电力传输常用的低频率，而是选用较适合通讯的高频率。由于通讯用频段通常无须乘载大电流，而适用于电力传输的元件也鲜少针对高频率设计，因而使磁共振无线充电方案无论是在元件的设计上或供应上，都为制造商增添了新的挑战。

　　博通（Broadcom）手机平台部门产品行销总监Reinier van der Lee表示，为避免无线充电系统受到其他设备的频率干扰，A4WP选择避开无线电运行的频谱，采用于工业、科学及医疗频段（ISM-band）中的 6.78MHz进行电力传输，以增加磁共振无线充电的稳定性。

　　

　　图1　UL消费性事业电子科技产业部大中华区工程部总监蔡英哲指出，无线充电的频段除了要避免与生物体自然频率共振外，也必须避开各种通讯系统的频段。

　　UL消费性事业电子科技产业部大中华区工程部总监蔡英哲（图1）补充，频段的选择相当重要，为避免造成频段间的干扰问题，因此目前的趋势是将通讯频段采用现有的成熟技术，如近距离无线通讯（NFC）、蓝牙（Bluetooth）、无线区域网路（Wi-Fi）等，并将设备加入通用识别码以减少不预期的干扰，让电力波可以在非通讯与谐波区域使用。

　　不同于WPC透过频内（In-Band）讯号进行传输，A4WP在通讯机制上是采用蓝牙Smart做为发射端（Tx）与接收端（Rx）的通讯方式。十铨行动应用事业处产品总监林家成表示，Qi标准是透过方波长短的不同进行通讯，但磁共振技术若在电波中加入其他讯号将会影响系统的共振点，因此A4WP才藉由蓝牙Smart将系统分为通讯与电力传输两个通道。

　　致伸科技平台资深经理丘宏伟进一步说明，因现在多数智慧型手机都已配备蓝牙Smart，成本增加仅会出现在Tx部分，且增加幅度并不大。至于其他通讯方式如Wi-Fi，其频宽较大而且并不完全适用于电力传输，所以采用蓝牙Smart的方案较为划算。

　　此外，因磁共振系统频率的提升，连带影响其他零组件必须相应采用高频元件，这部分为垫高A4WP磁共振方案成本的最大塬因。林家成分析，磁共振系统若运行频率很高，便要采用高频率金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）来做开关的动作，在电力传输的过程中，从波峰到波谷间上下可能相差几十到上百伏特 （V），能够承受如此高电压的MOSFET便会非常昂贵；假如还要做到效率高，则费用将会是呈现指数性上涨。再者，目前这种高频率的MOSFET必须采用订制，因此关键元件的供应问题也可能是磁共振技术未来发展的阻碍之一。

　　德州仪器（TI）电池管理市场经理文司华表示，磁共振与磁感应技术还有一项不同点在于积体电路（IC）制程。磁感应方案所用的晶片制程为30伏特，但磁共振方案的制程估计需要40？60伏特。丘宏伟补充，当频段提高也会同步增加元件制造的技术门槛，在材料上可能要使用到氮化镓（GaN），因此能够供应氮化镓MOSFET的关键元件厂商也开始蠢蠢欲动。

　　另一方面，磁共振无线充电的优势在于可同时对多个设备充电（图2），因此在Tx设计上也有不同于磁感应方案的考量。林家成指出，线圈处于高频率时会出现寄生的电容、电阻、电感等干扰，此时要控制频率就较为困难，比如当系统中有多个Rx线圈进入时，因为寄生的电感发生变化而会影响共振点；另外，当Tx与Rx 的垂直距离改变时，系统在输出功率和共振频率上也必须同步调整，所以Tx重点在于必须适应不同的频率。

　　

　　图2　磁共振频率会受到待充物数量与充电距离影响。　图片来源：POWERMAT

　　关于线圈的部分，高创行销部副理王世伟也表示，进入到磁共振技术后，因为频段较磁感应方案高，除了天线长度须要改变之外，共振式磁性材料的生产门槛亦会提升，挑战包含粉料的配方与天线设计等。

　　整体看来，现行磁共振无线充电方案价格偏高的塬因，主要在于须采用特殊高频元件，且在市场尚未普及的情形下难以压低成本。林家成说明，磁共振无线充电的终端价格要分为Tx与Rx来看，Tx因为具有高附加价值，即使卖到20美元还是有市场；而Rx是内建于消费性产品之中，这部分价格将占有较大影响力。然而，未来WPC的磁共振方案是否将能突破上述挑战，仍须待后续观察。

　　突破空间限制　磁共振方案距离不设限

　　相较于磁感应无线充电，磁共振方案在使用上具备更高的便利性，包括智慧型手机毋须准确放置于充电板、可达更长的充电距离，并能同时对多个设备充电，上述特性为制造商带来了相当可观的应用商机。

　　王世伟表示，磁感应技术的充电距离受限于线圈尺寸，因此在Rx设备体积有限的情形下已面临距离上的瓶颈；而磁共振技术在这方面尚未达到物理限制，因此距离仍有增长空间。磁共振无线充电的优势，在于当充电距离拉长或是没有对准Tx的情况下，虽然会导致磁共振系统充电效率降低，然而不至于造成充电能力的丧失。

　　

　　图3　德国莱因资深专案经理Jan Willem Vonk表示，磁共振无线充电要普及，必须先解决充电效率不佳以及安全认证等问题。

　　就使用者立场而言，无线充电系统的稳定固然重要，不过充电花费的时间却更是有感。德国莱因（TUV）资深专案经理Jan Willem Vonk（图3）表示，现阶段磁共振方案的充电效率仍较磁感应方案低，假若无法缩小与有线充电在充电时间上的差距，势必降低消费者使用无线充电的意愿。

　　蔡英哲也强调，磁共振技术在理论上可达到90%以上的传输效率，但是在内嵌至设备时所造成的磁损，与非预期接收设备造成损失为典型的隐忧，因此强逆磁化与强顺磁化是目前亟待推展的效率提升技术；同时，磁场透镜技术的发展同样值得期待，将可望达到比拟有线充电系统的整体效率。

　　除此之外，由于充电板与待充物之间的距离增加，使Tx不再受限于必须放置在如桌子等物体表面，将可内嵌至各种家具之中，降低视觉上的侵入感，并减少直接接触造成的破坏，更有助于解决电力传输所造成的发热问题（图4）。

　　

　　图4　藉由增加充电距离，无线充电板将可完全内嵌于家具之中。　图片来源：Panasonic

　　丘宏伟说明，磁感应技术在充电板与待充物之间的散热空间有限，当以更大功率进行传输时，提高的温度可能无法被市场所接受。藉由磁共振方案增加充电距离，Tx与Rx间的散热空间大幅扩展，有利于执行隔热、散热、绝热等设计，例如将充电板装在桌子下，透过桌面的大面积将热能发散，便可降低系统充电时产生的发热感。

　　然而，王世伟点出，现阶段A4WP无线充电方案的一大卖点，在于摆放位置较以往磁感应方案更为自由，但空间自由度包含了水平与垂直范围，目前仅看到 Rezence BSS 1.2版在垂直距离的进展，而水平距离尚无法达到理想范围，这是未来迈向更好的使用者体验所必须克服的问题。

　　另外，针对市场对充电距离的需求，王世伟补充，为了将无线充电发射器安装于任何桌板下，Tx与Rx的距离必须达到1英吋；目前已出现距离达18毫米 （mm）的方案，相信1英吋目标也将很快实现。此外，一般民众习惯将智慧型手机拿于一定高度而非平放在桌面使用，因此2英吋可能为更理想的充电距离。

　　值得注意的是，充电距离增加固然带来使用上的便利，但磁共振系统将Tx与Rx的距离增加后，也相对使磁场较磁感应方案开放，同时消费大众对于高频率电磁波对人体的影响也存有疑虑。Vonk指出，目前磁共振技术的主要挑战包括充电效率与安全认证，其中，安全性是一般大众最关注的问题，即使在技术上能克服距离限制，并可将充电器安装于家中任何位置，但在系统安全性尚未完整测试之前，仍将可能影响消费者的采用意愿。

　　由此可见，未来磁共振技术在攻占市场上的阻碍，将不仅仅只有技术门槛或价格等因素，如何藉由有效的安全验证让产品为一般大众所接受，这部分的影响将至关重要。

　　强化安全验证　磁共振无线充电迈向商用

　　当前磁共振无线充电标准已出炉，紧接着下一步就是开发产品、取得市场渗透率。尽管磁共振在技术上的关卡能逐一击破，但市场最关心的议题，还是围绕在以高频率、长距离进行无线充电，无论在产品安全或人体健康上是否将造成影响。

　　据了解，无论磁感应或磁共振技术，都是透过Tx与Rx在相同频段间产生传递能量的磁场，但同样的频率不仅仅存在于无线充电系统之中，更会与同样频率的不同系统间产生反应。过去曾于美国发生手机与烤箱晶片相互干扰，当手机收到讯号时烤箱也同步启动，并在最高功率下产生空烧的情况。

　　A4WP的磁共振方案加入蓝牙做为通讯机制，减少通讯干扰，并采用较高频的6.78MHz以避开多数设备的运行频段；同时，采用高频段还有另一好处，就是可减少对系统中金属异物的加热作用。丘宏伟指出，A4WP磁共振技术的运行频段，对于系统中其他金属的共振影响很轻微，与磁感应方案相比，金属发热程度的差距可能达到十倍之多。

　　然而须要注意的是，虽然磁共振方案对于金属异物的影响程度较低，但在磁共振技术全面普及之前，仍有一段时间须采用兼容磁感应技术的多模方案，因此异物侦测（Foreign Object Detection， FOD）依然会是短期间内无线充电设备所须仰赖的重要技术。

　　此外蔡英哲表示，抗强电磁干扰与多模化的切换能力，应该是目前晶片业者主要面临挑战与测试需求的部分，为了要达到完整的长期安全使用，晶片的软硬体架构功能性安全（Functional Safety），必须架构完善的失效模式及效应分析（FMEA），也就是在设计阶段立即会面临的挑战。

　　蔡英哲进一步强调，在进入磁共振技术后，无线充电系统的安全标准将不只是传统以测试为主的评估架构，会更偏向设计端的长期安全可靠性架构评估，例如磁共振电源是否会产生过热以及过大电流，进而伤害产品的运作。藉由评估安全设计的可靠性与对应风险，将有助于减少产品因设计不当而产生的潜在危机。

　　另一方面，因磁共振无线充电方案采用的频率较高，是否将产生辐射的问题也备受消费者关注。Vonk认为，目前尚无针对磁共振方案的安全标准，但电磁波能量吸收比值（SAR）未来必定将纳入磁共振无线充电的测试项目；同时，待首波产品发布并进行测试后，相关的安全标准才会更臻明确（图5）。

　　

　　图5　磁共振无线充电迈向普及，仍须先建立完整的安全认证机制。　图片来源：德国莱因

　　总和上述观点，首先磁共振无线充电与磁感应方案最大的不同，就在于系统运行频率的差异，采用高频段虽有其优点，然而关键零组件的设计难度与成本却大幅提升；其次，在磁共振系统中，电力经由高频率与相对开放的环境进行传递，亦引发消费大众对于是否将产生电磁波的担忧，对此业界也须要建立出完整的安全性认证机制，以减少未来无线充电发展上可能面临的阻碍。